[发明专利]一种热致循环吸附法氢同位素分离用色谱柱及其制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种气相分离色谱柱，特别提供一种针对热致循环吸附法氢同位素分离用色谱柱装填方法。

背景技术

在自然界中氢元素由于含有中子数的不同而存在三种同位素，分别为氕(H)、氘(D)、氚(T)。其中氕是自然界中氢最常见的同位素，丰度大于99.98%，而含量较少的氢的重同位素氘和氚在化学化工、医学及军事中有着广泛的应用。目前，氢同位素分离技术主要有低温蒸馏法、热扩散法和色谱分离技术。热循环吸附法（Thermal Cycling Absorption Process，TCAP）是一种半连续的色谱分离技术，由美国SRS实验室的M.W.Lee首先从理论上提出，1981年建立的TCAP-I小型化模型证实了该理论的可行性，并于1994年建成产业化装置正式投入运行。热循环吸附法分离氢同位素具有如下优点：分离效率高，拖影小；系统体积小可以放入手套箱因此便于对放射性元素的防护；不需要高温和超低温工作环境，温度易控；在半连续分离状态时原料吞吐量大；控制系统简单。正是由于以上优点，热循环吸附法氢同位素分离技术成为研究和发展的热点技术。

热循环吸附法利用了储氢材料吸放氢过程中对氢气同位素吸附/解吸速率和程度不同的现象，即同位素效应。钯具有最大的氢同位素效应，在吸氢过程会优先吸附较轻的氢同位素，而放氢时则优先放出较重的氢同位素。通常以分离系数来表征同位素效应的高低，其定义为金属相与气相中的T和H浓度比。

热循环吸附法原理如附图1所示。设备主要由分离柱、回流柱和加热冷却系统构成。分离柱中填充有纯钯或载钯的复合材料，氢同位素的混合气体由分离柱中部或一端注入，在加热冷却系统的作用下分离柱内的工质被热驱动进行吸放氢的循环，而混合氢气就在分离柱和回流柱之间来回流动，经过多次的热致吸放氢循环后，在分离柱中出现了氢同位素的浓度梯度分布，最终由产品端口输出重同位素富集的产品气，尾气端口排出轻同位素气体。

由以上介绍可知分离柱是热循环吸附法装置的关键工作部件，直接决定了设备的分离效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于热致循环吸附法氢同位素分离的色谱柱。该色谱柱要求有高的传热传质性能，同时其工作介质可以抗气流冲击，原位固定而不随气体流动。该色谱柱芯使用泡沫金属柱作为固定骨架，聚四氟乙烯分散液（PTFE）/硅藻土、羟丙基甲基纤维素（HPMC）/硅藻土或气相法二氧化硅水溶胶作为粘结剂，添加金属粉末如铜粉、铝粉或镍粉进一步提高传热效率，装载具有氢同位素效应的储氢材料，可以满足热循环法快速吸放氢动力学及良好传热性能的要求。

本发明具体提供了一种热致循环吸附法氢同位素分离的色谱柱，其特征在于：采用不锈钢作为色谱柱柱体，内装以色谱柱芯，其中色谱柱芯的支撑骨架为泡沫金属柱，泡沫金属柱空隙内装以粘结剂混合的具有氢同位素效应的储氢材料的填料。

本发明提供的热致循环吸附法氢同位素分离用色谱柱，其特征在于：在所述填料中添加金属粉末，以提高色谱柱的传热性能。金属粉末优选为铜粉、铝粉或镍粉。

本发明提供的热致循环吸附法氢同位素分离的色谱柱，其特征在于：所述色谱柱柱体为抗氢脆的316或304不锈钢管，或针对加热冷却过程焊接、钻孔的用于装载色谱柱芯的装置。泡沫金属柱为泡沫铜、泡沫镍或泡沫铝经过切割而成的圆柱体。粘结剂为聚四氟乙烯分散液（PTFE）/硅藻土、羟丙基甲基纤维素（HPMC）/硅藻土或气相法二氧化硅水溶胶。具有氢同位素效应的储氢材料为纯钯粉、钯-硅藻土或钯-分子筛。

本发明提供的用于热致循环吸附法氢同位素分离用色谱柱，其特征在于：所述粘结剂的配制：PTFE/硅藻土采用浓度0.5%～5%的PTFE分散液与硅藻土以质量比2～6：1混合成粘结剂；HPMC/硅藻土采用1%～5%的HPMC溶液与硅藻土以质量比2～6：1混合成粘结剂；气相法二氧化硅水溶胶采用蒸馏水与气相二氧化硅以质量比4～7：1混合成水溶胶。

本发明提供的用于热致循环吸附法氢同位素分离用色谱柱，其特征在于：所述粘结剂与具有氢同位素效应的储氢材料的质量比为：30～60：70～40。

本发明提供的热致循环吸附法氢同位素分离用色谱柱，其特征在于：填料配比为质量百分比：粘结剂以硅藻土或气相二氧化硅质量计30%-60%，金属粉5%-20%，储氢材料余量。

本发明还提供了该种用于热致循环吸附法氢同位素分离色谱柱的制备方法，其特征在于，步骤如下：